17 сентября 2023 года проводится первый Всероссийский день физики для школьников. В нашей жизни физика значит гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Не верите? Смотрите сами!

Физика — это природа

Впервые термин «физика», от греческого φυσική — «природный», употребил в своей работе в IV веке до нашей эры Аристотель, один из величайших мыслителей древности. Изначально физика была синонимом философии, обе дисциплины объясняли законы функционирования Вселенной. Но в XVI веке благодаря научной революции физика стала отдельным направлением.

В русский язык слово «физика» ввёл Михаил Ломоносов. В 1746 году появился первый учебник по экспериментальной физике на русском языке. И эта книга есть в Политехнической библиотеке! Ломоносов перевёл и адаптировал труды своего учителя — немецкого математика и философа Христиана фон Вольфа. Тот разделил философию на теоретическую и практическую, из которой вытекло направление метафизики.

Очень многие технические достижения, которыми мы пользуемся сегодня, появились благодаря изучению законов физики и применению этих знаний в жизни. Эти достижения служили научно-техническому прогрессу, который и сформировал современную цивилизацию.

Примеры? Пожалуйста!

Гигантские суда и самолёты

Один из первых законов физики сформулировал Архимед в III веке до нашей эры: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, численно равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного телом. Это называют законом гидростатики и аэростатики, или просто законом Архимеда.

Древние судостроители, жившие до Архимеда, этого закона не знали, хотя строили свои лодки и корабли. Но эти суда были примитивными — в отличие от современных высокотехнологичных танкеров, авианосцев, океанских пассажирских лайнеров. В январе будущего года, например, на воду должны спустить лайнер Icon of the Seas, который будет в пять раз больше «Титаника».

И уж точно без знания закона Архимеда невозможно было бы строить суда из железобетона. Их история началась в 1849 году, когда французский изобретатель Жан Луи Ламбо изготовил из этого материала небольшую лодку. Она привела к сенсации на всемирной морской выставке 1855 года. Но пока судостроителям хватало металла, они не использовали бетон. Интерес к этому материалу вновь возник с началом Первой мировой войны из-за дефицита металла. И угас после Второй мировой, когда дефицит исчез. А сегодня бетонное судостроение пытаются возродить на судоверфи в Санкт-Петербурге.

1 бетонные суда

Без изучения законов физики человек никогда бы не заставил летать гигантские самолёты с взлётной массой около 600 тонн или совершить трансатлантический перелёт. Строгий расчёт конструкции крыла, его профиля, тяги двигателя, максимальной взлётной массы — всё это базируется именно на физических знаниях.

2 Илья Муромец.jpeg

Небоскрёбы

Высота дубайского небоскрёба «Бурдж-Халифа» в Объединённых Арабских Эмиратах — 828 метров. В нём 163 этажа. Малазийский Merdeka 118 вознёсся на 678,9 метра, токийский Tokyo Skytree — на 634 метра, Шанхайская башня — на 632. Самое высокое сооружение в России и Европе — Останкинская телебашня. Её «рост» 540 метров. Построить все эти объекты без знания законов физики было бы невозможно.

Бетонную Останкинскую башню внутри держат стальные канаты — после ремонта 2000 года их стало 145. Расположение и длину каждого рассчитывали с учётом ветров и нагрева башни солнечными лучами. При очень сильном ветре вершина башни отклоняется от вертикали на 10–12,5 метра, а потом возвращается в нейтральное положение.

3 Останкинская_башня_строится.jpg

В 2004 году в столице Тайваня Тайбэе построили башню «Тайбей 101» высотой 509,2 метра. Это первый небоскрёб в зоне землетрясений и ураганных ветров. В конструкции применён инерционный демпфер с двумя маятниковыми подвесками, на 92-м и 88-м этажах, каждая из которых весит 660 тонн. Они компенсируют внешние колебания здания.

Вообще без знания физики невозможно создать ни один современный инженерный объект — дорожную эстакаду, мост, плотину... Список можно продолжать долго.

Радио и телевидение

Большинство достижений из нашего списка появилось в результате целой серии открытий. В 1845 году английский физик-экспериментатор и химик Майкл Фарадей ввёл в науку понятие электромагнитного поля. В 1865 году шотландский физик и математик Джеймс Кларк Максвелл описал поведение электромагнитного поля уравнениями. В 1885 году немецкий профессор физики Генрих Герц создал генератор и резонатор электромагнитных колебаний. А русский физик и электротехник Александр Попов на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 25 апреля — 7 мая по новому стилю — 1895 года продемонстрировал «прибор, предназначенный для показывания быстрых колебаний в атмосферном электричестве». Впрочем, во многих странах мира первооткрывателями радио считают своих сограждан. Итальянцы отдают первенство Гульельмо Маркони, сербы называют Николу Теслу, американцы — Томаса Эдисона, англичане — Дэвида Хьюза. В списке создателей радио также числятся Малон Лумис, Роберто Ланделл де Мура, Оливер Джозеф Лодж, Джагадиш Чандра Боше.

4 радио и телевидение (Розинг).jpg

И ещё до изобретения радиосвязи люди начали мечтать о передаче на расстояние изображений. Телевидение стало возможным благодаря открытиям Уиллоуби Смита, который в 1873 году обнаружил фотопроводимость селена, и Генриха Герца, описавшего в 1887-м внешний фотоэффект. В 1897 году Карл Фердинанд Браун изобрёл катодно-лучевую трубку — будущий кинескоп. А 25 июля 1907-го профессор Петербургского технологического института физик Борис Розинг подал заявку на патентование собственного «способа электрической передачи изображения». 9 мая 1911 года он передал на расстояние изображение решётки из четырёх светлых полос на тёмном фоне. Это была первая в мире телепередача. В 1931 году ученик Розинга, Владимир Зворыкин, эмигрировавший в США, запатентовал первую передающую телевизионную трубку — иконоскоп. Практически одновременно патент на такое же устройство оформил советский учёный Семён Катаев. А дальше, как говорится, дело техники.

Электродвигатели

Посмотрите, они везде — работают в микроволновках и фенах, кондиционерах, системах охлаждения автомобильных двигателей и компьютеров… Без электродвигателей не было бы ни самокатов, ни электромобилей. Но и они появились в результате цепи открытий.

В 1800 году итальянский физик и химик Алессандро Вольта создал первый химический источник тока — проще говоря, электрическую батарею. В 1820-м датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил реакцию магнитной стрелки на действие тока. В следующем году уже упоминавшийся Майкл Фарадей опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма» и продемонстрировал конструкцию, где намагниченная стрелка непрерывно вращалась под действием электротока. В 1822-м французский физик Андре-Мари Ампер открыл магнитный эффект соленоида, а английский физик Питер Барлоу изобрёл колесо Барлоу — однополюсный электродвигатель — разновидность электрических машин постоянного тока. В 1825 году британский физик Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит. В 1827-м венгерский физик Аньош Иштван Йедлик изобрёл генератор постоянного тока. Ещё через четыре года всё тот же Фарадей открыл электромагнитную индукцию. В 1832-м француз Ипполит Пикси сконструировал первый генератор переменного тока. В 1833-м Стёрджен продемонстрировал экспериментальный электродвигатель на постоянном токе в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне, а российский физик немецкого происхождения Эмилий Ленц опубликовал работу о законе взаимности магнитно-электрических явлений.

В мае 1834 года другой российский физик немецкого происхождения Борис Якоби построил первый вращающийся электродвигатель мощностью около 15 Вт. А в 1839-м использовал свой двигатель для перемещения лодки с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

5 Электроход-Якоби-2.jpg

Микроволновые печи

Какое самое высокотехнологичное место в вашем доме? Конечно, кухня. Там собрано множество приборов, которые появились благодаря изучению и применению законов физики. Посмотрим, например, на микроволновку, или СВЧ-печь. СВЧ — это значит «сверхвысокие частоты электромагнитного излучения».

В печи нагреваются вещества, содержащие полярные молекулы — в первую очередь молекулы воды. Электромагнитные волны заставляют полярные молекулы колебаться. А повышение скорости колебания молекул — это по определению повышение температуры, которое передаётся и остальным компонентам пищи. Основной элемент микроволновой печи — резонансный магнетрон. Этот электровакуумный прибор генерирует СВЧ-излучение за счёт того, что на потоки электронов одновременно воздействуют постоянные и перпендикулярные друг другу поля — магнитное и электрическое, а также переменное электрическое поле. Постоянное электрическое поле «вырывает» электроны из катода, магнитное придаёт им нужную траекторию, а переменное электрическое помогает потоку электронов поддерживать колебания в резонаторе.

История магнетрона началась в 1912 году, когда швейцарский физик Генрих Грайнахер изучал способ измерения массы электрона. Термин «магнетрон» предложил в 1921 году американский физик-радиотехник Альберт Халл, он же получил патент на этот аппарат. Спустя несколько лет действующие магнетронные генераторы создали почти одновременно в Чехословакии, СССР и Японии. К 1937 году советские учёные нашли способ повысить мощность магнетронных генераторов в несколько раз, применив многорезонаторный магнетрон, который состоит из массивного медного анода с несколькими резонаторными полостями и с принудительным охлаждением. В 1940 году британские физики Джон Рэндалл и Гарри Бут изобрели магнетрон, способный генерировать импульсы высокой мощности. Это привело к созданию радиолокационной аппаратуры для самолётов.

А автором микроволновки считается американец Перси Спенсер. С 1925 года он работал в компании Raytheon, которая производила оборудование для радаров. По легенде, как и во многих других случаях, к изобретению привёл курьёз. То ли Спенсер оставил рядом с работающим радаром бутерброд, и тот нагрелся, то ли у него в кармане расплавился шоколадный батончик… В любом случае американец как-то заметил способность СВЧ-излучения нагревать предметы. 8 октября 1945 года Спенсер подал заявку на патент, а в 1947 году Raytheon начала выпускать такие печи для солдатских столовых и военных госпиталей. Потом микроволновку «демобилизовали». Производством «гражданских» версий занялась компания Tappan в 1954 году.

Холодильники и кондиционеры

То, что продукты хранятся дольше при низких температурах, люди заметили очень давно. Помещения для продуктов, наполняемые льдом, появились несколько тысяч лет назад. Такие были, например, в «Золотом доме» императора Нерона в Риме. А для создания прохлады над правителями всего мира тысячелетиями стояли слуги с опахалами.

Только в 1862 году французский инженер Фердинанд Карре создал установку для производства искусственного льда за счёт абсорбции аммиака и показал её на выставке в Лондоне. Аппарат производил 200 килограммов льда в час. В 1876 году Карре оборудовал системой охлаждения аргентинское судно Paraguay, что позволило перевозить мясо через океан. Аммиак же использовал и немецкий инженер Карл фон Линде, продавший к 1880 году 747 холодильных установок — машин Линде.

В 1926 году датчанин Кристиан Стинструп создал безвредный и долговечный бытовой холодильник. Под названием Monitor Top это устройство в 1927 году начала производить американская фирма General Electric. Несмотря на баснословную стоимость прибора, фирма к 1931 году продала больше миллиона Monitor Top. А в 1928 году Томасу Миджли из General Motors Research удалось синтезировать в лаборатории соединение, получившее название «фреон» — его модификации служат хладагентами в холодильниках и кондиционерах.

6 Холодильник Север.jpg

Работа холодильников основана на втором начале термодинамики. Охлаждающее рабочее тело — хладагент — совершает в замкнутой системе так называемый обратный цикл Карно. Фреон или другой хладагент подвергается фазовым переходам — изменениям агрегатного состояния из жидкого в газообразное и наоборот с поглощением или выделением тепловой энергии. Компрессор засасывает хладагент из испарителя в газообразном состоянии под давлением 3–5 атмосфер, сжимает его до давления 15–25 атмосфер — при этом температура повышается — и нагнетает хладагент в конденсатор, где он конденсируется в жидкость. После конденсатора жидкий хладагент поступает в испаритель — там давление намного ниже — и начинает активно переходить в газообразное состояние, забирая тепло у внешней среды. Затем цикл повторяется.

А теперь представьте жизнь без холодильников и кондиционеров. Взгрустнулось? Нам тоже.

Маглев

Этим производным от словосочетания «магнитная левитация» называют поезда и трамваи, которые перемещаются как бы «в воздухе» — над дорожным полотном. Они двигаются и управляются электромагнитным полем. Из-за отсутствия трения скорость состава на магнитной подушке сравнима со скоростью самолёта. Это же объясняет малое потребление электроэнергии, сравнительно небольшую стоимость постройки и обслуживания полотна, низкий уровень шума.

На высокоскоростной магнитной дороге от шанхайского аэропорта Пудун до первой станции метро Шанхая поезда Siemens Transrapid 08 развивают скорость до 431 км/ч, так что на 30-километровый путь уходит всего 10 минут.

21 апреля 2015 года на экспериментальном участке путей протяжённостью 42,8 километра в японской префектуре Яманаси состав с вагонами серии L0 развил скорость 603 км/ч. Особенность JR-Maglev — электродинамическая подвеска на сверхпроводящих магнитах. Сверхпроводимость используется здесь для повышения мощности магнитов, а не создания самого эффекта левитации. И поезд движется не по монорельсу, а в канале между магнитами.

В СССР эксперименты с технологией маглева начались ещё в 1970-х. Предполагалось, что первый поезд на магнитной подушке от центра Москвы до аэропорта Шереметьево начнёт работать в 1993 году. Сейчас говорят, что первый российский маглев должен появиться в 2025 году.

7 Маглев

Беспроводные зарядные панели и индукционные плиты

Беспроводные панели для зарядки смартфонов стали обычным оборудованием для автомобилей нового поколения. А принцип этой технологии полностью раскрывает второе название — индукционная зарядка. Это явление — электромагнитную индукцию, то есть возникновение электродвижущей силы в проводнике при изменении внешнего магнитного поля — открыл 17 октября 1831 года Майкл Фарадей. Мы об этом уже говорили.

Принципиально беспроводная зарядка выглядит так: одна индукционная катушка, выполняющая роль передатчика, стоит в панели, вторая — приёмник — в смартфоне. При подключении электропитания в одной катушке возникает магнитное поле, а во второй — индуцированный ток.

По тому же принципу работают индукционные плиты, только электроэнергия преобразуется в тепловую. Для этого посуда должна иметь дно из железного сплава.

Рентгенодиагностика, УЗИ и МРТ

В медицине всегда применялись самые передовые технологии. Современную медицину трудно представить без рентгенодиагностики, УЗИ и МРТ — эти неинвазивные, без проникновения через естественные внешние барьеры организма исследования внутренних органов назначают многим пациентам. Аппараты для них есть не только во всех больницах, но и в большинстве поликлиник.

Рентгенодиагностика — под этим общим названием скрывается целая серия рентгеновских методов исследования. Технология основана на различной пропускной способности тканей организма. Изображения внутренних органов получаются после прохождения сквозь тело человека рентгеновских лучей, или икс-лучей, как их назвал физик Вильгельм Рентген 8 ноября 1895 года.

Ультразвук — звуковые волны, частота которых выше воспринимаемых человеческим ухом. Ультразвук открыл ещё в 1794 году итальянский аббат Ладзаро Спалланцани. Он обнаружил, что летучие мыши прекрасно ориентируются в полной темноте, но только если могут слышать.

В 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон сделал первый ультразвуковой свисток. Для исследования внутренних органов в медицине ультразвуковые исследования — сонографию — предложили применять в 1930-е годы. Но первый громоздкий аппарат для сонографии был создан в 1949-м. А аппараты УЗИ, дающие трехмерное изображение, появились только в конце 1980-х.

Магнитно-резонансная томография считается не только наиболее информативным, но и самым безопасным методом диагностики болезней головного и спинного мозга, позвоночника, суставов, органов малого таза и брюшной полости. Технология основана на ядерно-магнитном резонансе. Этот эффект проявляется благодаря способности ядер водорода поглощать и испускать радиоволны в мощном магнитном поле. Принцип магнитно-резонансной томографии обозначил ещё в 1960 году физик Владислав Иванов. Но официальным годом основания МРТ принято считать 1973-й, когда химик Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса».

Вулканизация резины и искусственный каучук

Многие изобретения, ставшие технологическими прорывами, появились на стыке нескольких отраслей науки. Часто — физики и химии.

Вулканизацию резины — технологию, которая позволяет придать резине стабильные свойства за счёт сшивания молекул каучука в единую пространственную сетку при воздействии вулканизирующего реагента, — запатентовал 15 июня 1844 года американец Чарльз Нельсон Гудьир. Именно в его честь названа всем известная международная компания. Благодаря изобретению Гудьира в мире ежегодно производят около 1,4 миллиарда шин и других резино-технических изделий. Но современное шинное производство невозможно без искусственных каучуков.

Синтетические каучуки впервые начали разрабатывать в России ученики профессора Александра Бутлерова — Иван Кондаков, Алексей Фаворский, Сергей Лебедев, Борис Бызов. Впервые технология производства бутадиенового синтетического каучука была разработана Бызовым в лаборатории завода «Треугольник» в 1911 году. В 1913 году учёный оформил патент на это изобретение. Во время Первой мировой войны «Треугольник» выпускал противогазы из синтетического каучука Бызова. А 15 февраля 1921 года петроградский завод «Литер Б» произвёл первый блок натрий-бутадиенового каучука весом 200 килограммов. В начале тридцатых годов уже несколько заводов в СССР выпускали синтетические каучуки.

В 2022 году, по данным Росстата, в России на девяти предприятиях произвели почти 1,3 миллиона тонн синтетических каучуков.

Сложносочинённые

В наш список не вошла космическая и атомная техника, смартфоны и компьютеры — даже не квантовые, а обычные. Хотя все они появились на свет в результате долгого труда множества специалистов в разных областях, физиков в первую очередь. Но это уже другие — более длинные и разветвлённые истории. Оставайтесь с нами — удивительные истории об учёных и их достижениях мы рассказываем часто и будем рассказывать ещё.

10 вещей, которые подарила нам физика