Физика

Физика — область естествознания: наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации. Физика очень разнообразна и включает в себя различные разделы. На занятиях мы рассмотрим 3 раздела: механику, термодинамику, а также электричество и магнетизм.

МЕХАНИКА

Механика, которая изучается в школе, создает впечатление, что это самый простой раздел физики, который сегодня практически не используется. Однако, это не так. Механика очень важна для решения задач навигации, ориентации и стабилизации космических объектов.

Невозможно совершить аккуратную стыковку грузопассажирского космического корабля к Международной космической станции, если не знать их взаимное местоположение и ориентацию в пространстве.

Стыковка модуля «ЗВЕЗДА» к МКС

Помимо этого, куда более сложной задачей является успешное достижение небесных тел, от которых мы не получаем никакой телеметрический информации. Луна постоянно вращается вокруг Земли, имеет свою силу притяжения и сложный рельеф поверхности. Успешно достичь ее поверхности, сесть, собрать образцы грунта и вернуться обратно невозможно без точных расчетов, которые описываются, в том числе, законами механики.

Исследовательский модуль «Луна-25»

Динамические расчеты были точными, но прилунение было аварийным. Подвел прибор, который передавал данные с задержкой. «Луна 25» слишком сильно разогналась!

Еще одним, более «земным» применением законов механики, является создание цифровых подвижных объектов, например, в компьютерных играх. Если мы хотим сделать движения какого-либо персонажа или животного в компьютерной игре реалистичными, нам нужно задать законы движения этих объектов, с учетом возможных степеней свободы их каждой конечности.


Таким образом, механика сегодня является важным инструментом для разработки различных компьютерных и инженерных систем, в том числе очень сложных по своему принципу функционирования.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика — раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. Законы термодинамики носят общий характер и не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне.


Пользоваться законами термодинамики люди стали достаточно давно. Тогда это была не наука, житейская мудрость. Примерно за 2500 лет до н.э. египтяне использовали кувшин из пористой глины для охлаждения жидкостей. За счет термодинамических процессов в этом кувшине, жидкость в нем была на несколько градусов холоднее температуры окружающей среды.


В пустынных районах средней Азии, примерно 1000 лет назад, люди строили свои жилища с куполообразной формой крыши для того, чтобы внутри дома сохранялась прохлада. Вряд ли жители той эпохи могли объяснить, почему так происходит, но это не мешало им активно пользоваться такими «лайфхаками».


Современная термодинамика появилась в 18-19 веках как эмпирическая наука о преобразовании внутренней энергии тел в механическую работу. Исследования в этой области позволило увеличить КПД паровых машин (в частности паровозов).



С тех пор было сформулировано 3 начала термодинамики:

Первое начало термодинамики утверждает, что теплота, полученная системой, идёт на увеличение внутренней энергии системы и на совершение этой системой работы, что можно записать как δQ = δA + δU, где δU — полный дифференциал внутренней энергии системы, δQ — элементарное количество теплоты, переданное системе, а δA — бесконечно малая или элементарная работа, совершённая системой. Первое начало термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя первого рода, то есть устройства, способного совершать работу без соответствующих затрат энергии.

Второе начало термодинамики задаёт ограничения на направление процессов, которые могут происходить в термодинамических системах, и исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Есть несколько формулировок второго начала термодинамики:
Постулат Кельвина: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара». Постулат Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому».

Третье начало термодинамики или теорема Нернста утверждает, что энтропия любой равновесной системы по мере приближения температуры к абсолютному нулю перестаёт зависеть от каких-либо параметров состояния и стремится к определённому пределу. Эта теорема содержит два положения. Первое из них постулирует существование предела энтропии при стремлении к абсолютному нулю. Численное значение этого предела принято полагать равным нулю, поэтому в литературе иногда говорят о том, что энтропия системы стремится к нулю при стремлении температуры к 0 К. Второе положение теоремы Нернста утверждает, что все процессы вблизи абсолютного нуля, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии.

Закон утверждает, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными.

Термодинамика, которая изучается в школе, в основном направлена на решение задач с уравнениями состояния идеального газа при различных процессах: изотермическом (постоянная температура), изобарическом (постоянное давление), изохорическом (постоянный объем), а также адиабатическом (изолированным от окружающей среды). При этом используется Уравнение состояния идеального газа, оно же уравнение Клапейрона — Менделеева. Оно записывается как pV = υRT , где p — давление, V — объём, T — абсолютная температура, υ — число молей газа, а R — универсальная газовая постоянная.

Современные технологии

Сегодня термодинамика широко применяется в таких областях науки и техники, как энергетика, теплотехника, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса и даже чёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии и материаловедения. Термодинамика прошла длинный путь от «житейских мудростей» людей прошлого, через науку паровых машин и индустриализации.

Сегодня с ее помощью проводятся расчеты климатических систем, систем охлаждения, жизнеобеспечения и защиты систем космических летательных аппаратов как от космического холода, так и от агрессивной горячей атмосферы некоторых планет нашей Солнечной системы.

Термоэлектрический элемент Пельтье

Криокамеры для изучения


Строение исследовательского зонда «Венера-4» производства СССР.
Системы и научные приборы спускаемого аппарата «Венера-4»:
1 – внешняя теплоизоляция, 2 – опорная рама, 3 – корпус, 4 – система раскрытия радиовысотомера, 5 – теплообменник, 6 – антенна радиосвязи, 7 – антенна радиовысотомера, 8 – блок системы управления, 9 – аккумулятор, 10 – внутренняя теплоизоляция, 11 – амортизатор

МАГНЕТИЗМ

Магнетизм – величественное явление, объединяющее электричество и магнетические поля, оказывает невероятное воздействие на нашу жизнь, влияя на функционирование устройств, диагностику и лечение заболеваний.

От античных времен до современных исследований, магнетизм вызывал восхищение и изучение учеными и инженерами. Это явление нашло свое практическое применение в самых разнообразных сферах – от механики до медицины.

Действие магнитов и электромагнитов, когда скрытая энергия приводит в движение механизмы и оказывает воздействие на биологические системы, стало невероятно важным аспектом нашей современной цивилизации.

Магнетизм и современные технологии

От простых магнитов для прикрепления к холодильнику до сложных магнитных систем, используемых в высокотехнологичных приборах и медицинской диагностике, магнетизм остается ключевым элементом в нашей повседневной жизни.

Магниты – незаменимый компонент современной техники и инновационных разработок.


Сильные постоянные магниты используются в медицине для создания детальных изображений внутренних органов.


Промышленный магнит поднимает груз

Магнитные элементы для хранения данных: Магниторезистивные и магнитные туннельные структуры используются в современных жестких дисках и флэш-памяти для хранения данных.

Магнитные подушки и левитация

Магнитные системы позволяют создавать магнитные подушки, на которых легкие транспортные средства могут двигаться практически без трения, что приводит к повышению эффективности и скорости.


Технология магнитной левитации (Maglev) используется для создания высокоскоростных поездов, путешествующих на магнитных подушках, что обеспечивает невероятно быстрые и плавные поездки.